CN110475076B - 一种基于fpga的多光源曝光控制器及方法 - Google Patents

一种基于fpga的多光源曝光控制器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的多光源曝光控制器及方法，基于FPGA的多光源曝光控制器包括多光源曝光控制模块和***控制模块，***控制模块用于接收相机传输的图像信息，同时通过串口通讯向串口通讯单元发送数值序列；外触发输入单元用于隔离输入***控制模块的触发信号；FPGA处理单元用于接收外触发输入单元发送的触发信号和通过串口通讯单元发送的数值序列进行比较处理，向多光源触发单元发送光源触发信号；多光源触发单元用于将FPGA处理单元输出的光源触发信号输出至至少两个光源控制器，同时进行隔离。满足多光源曝光检测技术对多场景多组合光源控制的需求。

Description

一种基于FPGA的多光源曝光控制器及方法
技术领域
本发明涉及多光源曝光检测技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的多光源曝光控制器及方法。
背景技术
目前曝光采图检测技术在检测领域得到了广泛的应用，特别是多光源曝光检测技术在形貌测量精密设备上有很好的检测效果。形貌测量精密设备使用多光源曝光采图技术进行检测时，对光源曝光的要求较高，不同的测量场景下需要使用不同的光源，甚至是多种光源的组合，这样的控制需求给多光源曝光的控制带来了挑战。与此同时，在检测设备运行的过程中，不同场景下多种光源曝光的控制也直接影响检测效率，进而影响设备的产率，因此，在满足多光源曝光控制功能的前提下尽可能的提高光源控制的速度也是多光源曝光控制模块需要考虑的要点，这无疑给多光源曝光的控制又增加了难度。
目前的相机控制器，主要功能都集中在多相机的同步控制触发上，或是多光源的同步控制上，不能够满足多光源曝光检测技术对多场景多组合光源控制的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FPGA的多光源曝光控制器及方法，采用硬件触发的方式，显著提升了软件实现光源控制的时间开销；多光源曝光控制模块内部采用计数器、FIFO存储器和比较器的机制完成了多场景多组合光源控制的功能，解决现在的相机控制器不能够满足多光源曝光检测技术对多场景多组合光源控制的需求的问题。
第一方面，本发明提供一种基于FPGA的多光源曝光控制器，包括多光源曝光控制模块和***控制模块，所述多光源曝光控制模块包括串口通讯单元、外触发输入单元、FPGA处理单元和多光源触发单元，所述串口通讯单元、所述外触发输入单元和所述多光源触发单元均与所述FPGA处理单元电性连接，所述***控制模块与所述外触发输入单元、所述串口通讯单元和相机电性连接，所述多光源触发单元通过至少两个光源控制器与相机电性连接；其中：
所述***控制模块，用于接收相机传输的图像信息，同时通过串口通讯向所述串口通讯单元发送数值序列；
所述串口通讯单元，用于所述***控制模块和所述FPGA处理单元之间的串口信号隔离转换和传输；
所述外触发输入单元，用于隔离输入所述***控制模块的触发信号；
所述FPGA处理单元，用于接收所述外触发输入单元发送的触发信号的计数值，最后和通过所述串口通讯单元发送的数值序列进行比较处理，向所述多光源触发单元发送光源触发信号；
所述多光源触发单元，用于将所述FPGA处理单元输出的光源触发信号输出至至少两个光源控制器，同时进行隔离。
在一实施方式中，所述FPGA处理单元包括一个计数器、至少两个比较器和至少两个FIFO存储器，所述比较器和所述FIFO存储器的数量相等；所述计数器与所述外触发输入单元电性连接，且与至少两个所述比较器电性连接，每一所述比较器与每一所述FIFO存储器电性连接，且与所述多光源触发单元电性连接，每一所述FIFO存储器与所述串口通讯单元电性连接；其中：
所述计数器，用于对所述外触发输入单元输入的触发信号进行加一计数，并存储在指定的寄存器中，将计数值提供给每一所述比较器；
所述比较器，用于接收到所述计数器提供的计数值后从对应的所述FIFO存储器中获取当前序号值，并对从FIFO存储器中获取的序号值和计数值进行比较，如果数值相同就输出指定脉宽的光源触发信号至所述多光源触发单元；
所述FIFO存储器，用于接收所述串口通讯单元发送的数值序列，按照堆栈队列进行存储用于所述比较器比较的数值，在每次所述比较器比较时自动输出队列最顶端的数值用于比较，同时整个队列数值自动前移，用于下一次输出。
在一实施方式中，所述多光源曝光控制模块还包括电源单元，所述电源单元与所述FPGA处理单元电性连接，用于为所述多光源曝光控制模块提供电源。
在一实施方式中，所述多光源曝光控制模块还包括复位电路单元，所述复位电路单元与所述FPGA处理单元电性连接，用于所述多光源曝光控制模块的手动复位。
在一实施方式中，所述基于FPGA的多光源曝光控制器还包括步进控制模块，所述步进控制模块与所述***控制模块、所述外触发输入单元和相机电性连接；其中：
所述***控制模块，还用于软件控制所述步进控制模块运动；
所述外触发输入单元，还用于接收所述步进控制模块发送的运动到位触发信号；
所述步进控制模块，用于接收相机采图完成后输出的触发信号或是接收到所述***控制模块发送的运动触发信号后，控制承载检测物的运动台步进至下一检测点，步进完成后输出运动到位触发信号至所述外触发输入单元。
第二方面，本发明提供一种基于FPGA的多光源曝光控制方法，包括：
获取***控制模块通过串口通讯单元传输的数值序列，并存储至相应的FIFO存储器中；
接收外触发输入单元发送的触发信号或步进控制模块发送的运动到位触发信号后，对触发信号进行计数，与存储至所述FIFO存储器的数值序列进行比较，输出光源触发信号；
根据光源触发信号切换光源控制器的状态，切换完成后输出光源切换完成反馈触发信号；
开始曝光采图，采图完成后输出采图完成触发信号，同时传输图像至所述***控制模块进行存储分析；
接收到采图完成触发信号后控制运动台运动到下一检测点，然后输出运动到位触发信号。
在一实施方式中，所述对触发信号进行计数，与存储至所述FIFO存储器的数值序列进行比较，输出光源触发信号，包括：
获取所述外触发输入单元输入的触发信号进行加一计数；
获取存储至所述FIFO存储器中的序号值；
将计数值与序号值进行对应比较，若计数值与序号值相等，则输出指定脉宽的光源触发信号至多光源触发单元；若计数值与序号值不相等，则输出光源关闭信号至所述多光源触发单元。
本发明提供的一种基于FPGA的多光源曝光控制器及方法，通过所述FPGA处理单元接收所述外触发输入单元发送的触发信号和通过所述串口通讯单元发送的数值序列进行比较处理，向所述多光源触发单元发送光源触发信号；根据不同场景实现对应的多种组合光源控制器的打开与关闭，同时所述步进控制模块接收相机采图完成后输出的触发信号或是接收到所述***控制模块发送的运动触发信号后，控制承载检测物的运动台步进至下一检测点，步进完成后输出运动到位触发信号至所述外触发输入单元，采用硬件触发的方式，显著提升了软件实现光源控制的时间开销，满足多光源曝光检测技术对多场景多组合光源控制的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于FPGA的多光源曝光控制器的结构示意图；
图2是本发明FPGA处理单元的结构示意图；
图3是本发明FIFO存储器的内部结构示意图；
图4是本发明基于FPGA的多光源曝光控制方法的流程示意图；
图中：10-多光源曝光控制模块、20-***控制模块、30-步进控制模块、101-串口通讯单元、102-外触发输入单元、103-FPGA处理单元、104-多光源触发单元、105-电源单元、106-复位电路单元、1031-计数器、1032-比较器、1033-FIFO存储器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
第一方面，请参阅图1，是本发明提供的一种基于FPGA的多光源曝光控制器的结构示意图，所述基于FPGA的多光源曝光控制器包括多光源曝光控制模块10和***控制模块20，所述多光源曝光控制模块10包括串口通讯单元101、外触发输入单元102、FPGA处理单元103、电源单元105、复位电路单元106和多光源触发单元104，所述串口通讯单元101、所述外触发输入单元102、所述电源单元105、所述复位电路单元106和所述多光源触发单元104均与所述FPGA处理单元103电性连接，所述***控制模块20与所述外触发输入单元102、所述串口通讯单元101和相机电性连接，所述多光源触发单元104通过至少两个光源控制器与相机电性连接；
所述***控制模块20，用于接收相机传输的图像信息，同时通过串口通讯向所述串口通讯单元101发送数值序列；所述***控制模块20是一个将电脑或其他电子***集成到单一芯片的集成电路，可以处理数字信号、模拟信号、混合信号甚至更高频率的信号，型号为FH8610。所述串口通讯单元101，由串口收发电路构成，用于所述***控制模块20和所述FPGA处理单元103之间的串口信号隔离转换和传输；所述外触发输入单元102，用于隔离输入所述***控制模块20的触发信号；
所述FPGA处理单元103，用于接收所述外触发输入单元102发送的触发信号并进行计数，最后和通过所述串口通讯单元101发送的数值序列进行比较处理，向所述多光源触发单元104发送光源触发信号；所述FPGA处理单元103是一种现场可编程门阵列芯片，是一种硬件可重构的体系结构，具有强大的计算能力和足够的灵活性，拥有流水线并行和数据并行，运算速度快，型号为EP2C20F484C8N。所述多光源触发单元104，是由光耦电路构成，用于将所述FPGA处理单元103输出的光源触发信号输出至至少两个光源控制器，同时进行隔离。所述电源单元105，用于为所述多光源曝光控制模块10提供电源。所述复位电路单元106，用于所述多光源曝光控制模块10的手动复位。
请参阅图2，所述FPGA处理单元103包括一个计数器1031、至少两个比较器1032和至少两个FIFO存储器1033，所述比较器1032和所述FIFO存储器1033的数量相等；所述计数器1031与所述外触发输入单元102电性连接，且与至少两个所述比较器1032电性连接，每一所述比较器1032与每一所述FIFO存储器1033电性连接，且与所述多光源触发单元104电性连接，每一所述FIFO存储器1033与所述串口通讯单元101电性连接；其中：
所述计数器1031，是实现运算的逻辑电路，主要是对脉冲的个数进行计数，以实现检测、计数和存储的功能，所述计数器1031是由基本的计数单元和一些控制门所组成，计数单元则由一系列具有存储信息功能的各类触发器构成，这些触发器有RS触发器、T触发器、D触发器及JK触发器等，型号为CAT6612CQ，用于对所述外触发输入单元102输入的触发信号进行加一计数，并存储在指定的寄存器中，将计数值提供给每一所述比较器1032；
所述比较器1032，是对两个进行比较，以确定它们是否相等的电路或装置，型号为CAT6612CQ，用于接收到所述计数器1031提供的计数值后从对应的所述FIFO存储器1033中获取当前序号值，并对从FIFO存储器1033中获取的序号值和计数值进行比较，如果数值相同就输出指定脉宽的光源触发信号至所述多光源触发单元104；
所述FIFO存储器1033，用于接收所述串口通讯单元101发送的数值序列，按照堆栈队列进行存储用于所述比较器1032比较的数值，在每次所述比较器1032比较时自动输出队列最顶端的数值用于比较，同时整个队列数值自动前移，用于下一次输出。
所述FIFO存储器1033是一个先入先出的双口缓冲器，即第一个进入其内的数据第一个被移出，其中一个是存储器的输入口，另一个是存储器的输出口，型号为H5TQ2G63GFR-RDC。FIFO存储器分为写入专用区和读取专用区。读操作与写操作可以异步进行，写入区上写入的数据按照写入的顺序从读取端的区中读出，类似于吸收写入端与读出端速度差的一种缓冲器。所述FIFO存储器是***的缓冲环节，具有以下特点：1、对连续的数据流进行缓存，防止在进机和存储操作时丢失数据；2、数据集中起来进行进机和存储，可避免频繁的总线操作，减轻处理器的负担。
所述FIFO存储器1033存储的数值序列代表着每一检测点需要切换的光源对应的状态，所述多光源曝光控制器中所述计数器1031的外部触发信号采样频率可以设置，最高为10MHz，所述比较器1032输出的触发信号脉宽可以设置，范围为0.1us至3.2765ms。所述FIFO存储器1033的内部存储结构如图3所示，从上至下地址递增，序号也依次递增，最上方的数值为最先检测点的光源状态值，光源状态值如果和序号值相同则表示检测点对应的光源应该打开，否则关闭。例如图3中第3个检测点数值为0，不等于3，所以该点光源状态应该切换成关闭，其他点都是打开。
本发明提供的一种基于FPGA的多光源曝光控制器及方法，通过所述FPGA处理单元103接收所述外触发输入单元102发送的触发信号和通过所述串口通讯单元101发送的数值序列进行比较处理，向所述多光源触发单元104发送光源触发信号；根据不同场景实现对应的多种组合光源控制器的打开与关闭，同时所述步进控制模块30接收相机采图完成后输出的触发信号或是接收到所述***控制模块20发送的运动触发信号后，控制承载检测物的运动台步进至下一检测点，步进完成后输出运动到位触发信号至所述外触发输入单元102，采用硬件触发的方式，显著提升了软件实现光源控制的时间开销，满足多光源曝光检测技术对多场景多组合光源控制的需求。
第二方面，请参阅图4，是本发明提供一种基于FPGA的多光源曝光控制方法的流程示意图。具体的，如图4所示，所述基于FPGA的多光源曝光控制方法可以包括以下步骤：
S101、获取所述***控制模块20通过所述串口通讯单元101传输的数值序列，并存储至相应的所述FIFO存储器1033中；
S102、接收所述***控制模块20发送的触发信号或所述步进控制模块30发送的运动到位触发信号后，根据存储至所述FIFO存储器1033的数值序列对触发信号进行计数和比较，输出光源触发信号；
S103、根据光源触发信号切换光源控制器的状态，切换完成后输出光源切换完成反馈触发信号；
S104、开始曝光采图，采图完成后输出采图完成触发信号，同时传输图像至所述***控制模块20进行存储分析；
S105、接收到采图完成触发信号后控制运动台运动到下一检测点，然后输出运动到位触发信号。
具体流程为：所述***控制器通过串口传输所述多光源曝光控制器的数值序列；所述多光源曝光控制器通过所述串口通讯模块接收所述***控制器传输的数值序列，并存储在相应的所述FIFO存储器1033中；所述***控制器通过软件输出所述步进控制器运动触发信号；所述步进控制器接收到运动触发信号后，控制运动台运动到下一检测点，然后输出运动到位触发信号；所述多光源曝光控制器接收到运动到位触发信号后，对触发信号进行计数和比较输入光源控制触发信号；其中所述计数器1031对输入的触发信号进行加一计数，所述比较器1032将计数值和数值序列的序号值进行对应比较，若计数值与序号值相等，则输出指定脉宽的光源触发信号至所述多光源触发单元104；若计数值与序号值不相等，则输出光源关闭信号至所述多光源触发单元104；多个光源控制器接收光源触发信号或光源关闭信号，并根据信号切换光源的状态，切换完成后输出光源切换完成反馈触发信号；相机接收到光源切换完成反馈信号后开始曝光采图，采图完成后输出采图完成触发信号，同时传输图像至所述***控制器进行存储分析；所述步进控制器接收到采图完成触发信号后控制运动台运动到下一检测点，然后输出运动到位触发信号；然后从所述多光源曝光控制器接收到运动到位触发信号后重复上述操作，完成多点的检测，期间所述***控制器可以通过串口不断的传输携带检测点光源状态信息的数值。所述多光源曝光控制器从接收到外部的运动到位触发信号到完成计数比较输出光源控制触发信号的时间开销仅为400ns左右，多光源曝光控制的时间开销远低于软件控制的方式。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的多光源曝光控制器，其特征在于，
包括多光源曝光控制模块和***控制模块，所述多光源曝光控制模块包括串口通讯单元、外触发输入单元、FPGA处理单元和多光源触发单元，所述串口通讯单元、所述外触发输入单元和所述多光源触发单元均与所述FPGA处理单元电性连接，所述***控制模块与所述外触发输入单元、所述串口通讯单元和相机电性连接，所述多光源触发单元通过至少两个光源控制器与相机电性连接；其中：
所述***控制模块，用于接收相机传输的图像信息，同时通过串口通讯向所述串口通讯单元发送数值序列；
所述串口通讯单元，用于所述***控制模块和所述FPGA处理单元之间的串口信号隔离转换和传输；
所述外触发输入单元，用于隔离输入所述***控制模块的触发信号；
所述FPGA处理单元，用于接收所述外触发输入单元发送的触发信号的计数值，最后和通过所述串口通讯单元发送的数值序列进行比较处理，向所述多光源触发单元发送光源触发信号；
所述多光源触发单元，用于将所述FPGA处理单元输出的光源触发信号输出至至少两个光源控制器，同时进行隔离；
所述FPGA处理单元包括一个计数器、至少两个比较器和至少两个FIFO存储器，所述比较器和所述FIFO存储器的数量相等；所述计数器与所述外触发输入单元电性连接，且与至少两个所述比较器电性连接，每一所述比较器与每一所述FIFO存储器电性连接，且与所述多光源触发单元电性连接，每一所述FIFO存储器与所述串口通讯单元电性连接；其中：
所述计数器，用于对所述外触发输入单元输入的触发信号进行加一计数，并存储在指定的寄存器中，将计数值提供给每一所述比较器；
所述比较器，用于接收到所述计数器提供的计数值后从对应的所述FIFO存储器中获取当前序号值，并对从FIFO存储器中获取的序号值和计数值进行比较，如果数值相同就输出指定脉宽的光源触发信号至所述多光源触发单元；
所述FIFO存储器，用于接收所述串口通讯单元发送的数值序列，按照堆栈队列进行存储用于所述比较器比较的数值，在每次所述比较器比较时自动输出队列最顶端的数值用于比较，同时整个队列数值自动前移，用于下一次输出。
2.如权利要求1所述的基于FPGA的多光源曝光控制器，其特征在于，
所述多光源曝光控制模块还包括电源单元，所述电源单元与所述FPGA处理单元电性连接，用于为所述多光源曝光控制模块提供电源。
3.如权利要求1所述的基于FPGA的多光源曝光控制器，其特征在于，
所述多光源曝光控制模块还包括复位电路单元，所述复位电路单元与所述FPGA处理单元电性连接，用于所述多光源曝光控制模块的手动复位。
4.如权利要求1所述的基于FPGA的多光源曝光控制器，其特征在于，
所述基于FPGA的多光源曝光控制器还包括步进控制模块，所述步进控制模块与所述***控制模块、所述外触发输入单元和相机电性连接；其中：
所述***控制模块，还用于软件控制所述步进控制模块运动；
所述外触发输入单元，还用于接收所述步进控制模块发送的运动到位触发信号；
所述步进控制模块，用于接收相机采图完成后输出的触发信号或是接收到所述***控制模块发送的运动触发信号后，控制承载检测物的运动台步进至下一检测点，步进完成后输出运动到位触发信号至所述外触发输入单元。
5.一种基于FPGA的多光源曝光控制方法，其特征在于，包括：
获取***控制模块通过串口通讯单元传输的数值序列，并存储至相应的FIFO存储器中；
接收外触发输入单元发送的触发信号或步进控制模块发送的运动到位触发信号后，对触发信号进行计数，与存储至所述FIFO存储器的数值序列进行比较，输出光源触发信号；
根据光源触发信号切换光源控制器的状态，切换完成后输出光源切换完成反馈触发信号；
开始曝光采图，采图完成后输出采图完成触发信号，同时传输图像至所述***控制模块进行存储分析；
接收到采图完成触发信号后控制运动台运动到下一检测点，然后输出运动到位触发信号。
6.如权利要求5所述的基于FPGA的多光源曝光控制方法，其特征在于，所述对触发信号进行计数，与存储至所述FIFO存储器的数值序列进行比较，输出光源触发信号，包括：
获取所述外触发输入单元输入的触发信号进行加一计数；
获取存储至所述FIFO存储器中的序号值；
将计数值与序号值进行对应比较，若计数值与序号值相等，则输出指定脉宽的光源触发信号至多光源触发单元；若计数值与序号值不相等，则输出光源关闭信号至所述多光源触发单元。
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